Piezoelektrik uygulamalarına uygun özel malzemelerimiz var, ancak süreç tam olarak nasıl işliyor?Piezoelektrik Etkisi ile.Bu etkinin en benzersiz özelliği, iki şekilde çalışmasıdır.Aynı piezoelektrik malzemeye mekanik enerji veya elektrik enerjisi uygulayabilir ve tam tersi bir sonuç elde edebilirsiniz.
Bir kristale mekanik enerji uygulanmasına doğrudan piezoelektrik etki denir ve şöyle çalışır:
İki metal plaka arasına bir piezoelektrik kristal yerleştirilmiştir.Bu noktada malzeme mükemmel dengededir ve elektrik akımını iletmez.
Daha sonra, kristal içindeki elektrik yüklerini dengesiz hale getiren metal plakalar tarafından malzemeye mekanik basınç uygulanır.Kristal yüzünün karşıt taraflarında aşırı negatif ve pozitif yükler belirir.
Metal plaka, voltaj üretmek ve bir devre üzerinden elektrik akımı göndermek için kullanılabilen bu yükleri toplar.
İşte bu, basit bir mekanik basınç uygulaması, bir kristalin sıkıştırılması ve aniden bir elektrik akımına sahipsiniz.Ters piezoelektrik etki olarak bir malzemeye elektrik sinyali uygulayarak bunun tersini de yapabilirsiniz.Şu şekilde çalışır:
Yukarıdaki örnekle aynı durumda, iki metal plaka arasına yerleştirilmiş bir piezoelektrik kristalimiz var.Kristalin yapısı mükemmel bir denge içindedir.
Daha sonra kristale, kristalin yapısını küçülten ve genişleten elektrik enerjisi uygulanır.
Kristalin yapısı genişleyip büzülürken aldığı elektrik enerjisini dönüştürür ve mekanik enerjiyi ses dalgası şeklinde açığa çıkarır.
Ters piezoelektrik etki, çeşitli uygulamalarda kullanılır.Örneğin, bir piezoelektrik seramiğe voltaj uygulayan ve malzemenin havayı ses dalgaları olarak titreştirmesine neden olan bir hoparlörü ele alalım.
Piezoelektrikliğin Keşfi
Piezoelektrik ilk olarak 1880'de iki kardeş ve Fransız bilim adamı Jacques ve Pierre Curie tarafından keşfedildi.Çeşitli kristallerle deneyler yaparken, kuvars gibi belirli kristallere mekanik basınç uygulamanın bir elektrik yükü saldığını keşfettiler.Buna piezoelektrik etki adını verdiler.Sonraki 30 yıl, Piezoelektrikliğin büyük ölçüde laboratuvar deneyleri ve daha fazla iyileştirme için ayrıldığını gördü.Sonarda pratik uygulamalar için piezoelektrikliğin kullanıldığı I. Dünya Savaşı'na kadar değildi.Sonar, bir piezoelektrik vericiye voltaj bağlayarak çalışır.Bu, elektrik enerjisini mekanik ses dalgalarına dönüştüren eylem halindeki ters piezoelektrik etkidir.
Ses dalgaları, bir nesneye çarpana kadar suda ilerler.Daha sonra bir kaynak alıcıya geri dönerler.Bu alıcı, ses dalgalarını daha sonra bir sinyal işleme cihazı tarafından işlenebilen bir elektrik voltajına dönüştürmek için doğrudan piezoelektrik etkisini kullanır.Sinyalin gitmesi ile geri dönmesi arasındaki süre kullanılarak, bir nesnenin mesafesi su altında kolayca hesaplanabilir.
Sonarın başarısıyla, piezoelektrik ordunun hevesli bakışlarını kazandı.Amerika Birleşik Devletleri, Rusya ve Japonya'dan araştırmacılar, ferroelektrik adı verilen yeni insan yapımı piezoelektrik malzemeler yapmak için çalışırken, II. Dünya Savaşı teknolojiyi daha da geliştirdi.Bu araştırma, doğal kuvars kristali, baryum titanat ve kurşun zirkonat titanatın yanında kullanılan iki insan yapımı malzemeye yol açtı.
Günümüzde Piezoelektrik
Günümüzün elektronik dünyasında piezoelektrik her yerde kullanılmaktadır.Google'dan yeni bir restoranın tarifini istemek, mikrofonda piezoelektrik kullanır.Tokyo'da yerdeki piezoelektrik yapılara güç sağlamak için insan ayak seslerinin gücünü kullanan bir metro bile var.Bu elektronik uygulamalarda kullanılan piezoelektrikliği bulacaksınız:
Aktüatörler
Aktüatörler, örgü ve braille makineleri, video kameralar ve akıllı telefonlar gibi cihazlara güç sağlamak için piezoelektrik kullanır.Bu sistemde, bir metal plaka ve bir aktüatör cihazı, bir piezoelektrik malzemeyi bir araya getirir.Daha sonra piezoelektrik malzemeye, onu genişleten ve daraltan voltaj uygulanır.Bu hareket, aktüatörün de hareket etmesine neden olur.
Hoparlörler ve Zil Sesleri
Hoparlörler, yüksek kaliteli ses özellikleri gerektiren çalar saatler ve diğer küçük mekanik aygıtlar gibi aygıtlara güç sağlamak için piezoelektrik kullanır.Bu sistemler, bir ses voltajı sinyalini ses dalgaları olarak mekanik enerjiye dönüştürerek ters piezoelektrik etkiden yararlanır.
Sürücüler
Sürücüler, düşük voltajlı bir pili, daha sonra bir piezo cihazı sürmek için kullanılabilecek daha yüksek bir voltaja dönüştürür.Bu amplifikasyon işlemi, daha küçük sinüs dalgaları çıkaran bir osilatörle başlar.Bu sinüs dalgaları daha sonra bir piezo yükseltici ile yükseltilir.
sensörler
Sensörler, mikrofonlar, güçlendirilmiş gitarlar ve tıbbi görüntüleme ekipmanı gibi çeşitli uygulamalarda kullanılır.Bu cihazlarda, ses dalgalarındaki basınç değişikliklerini tespit etmek için bir piezoelektrik mikrofon kullanılır ve bu daha sonra işlenmek üzere bir elektrik sinyaline dönüştürülebilir.
Güç
Piezoelektrik için en basit uygulamalardan biri elektrikli çakmaklardır.Çakmağın düğmesine basmak, yay yüklü bir çekici piezoelektrik kristale bırakır.Bu, gazı ısıtmak ve tutuşturmak için bir kıvılcım aralığını geçen bir elektrik akımı üretir.Aynı piezoelektrik güç sistemi, daha büyük gaz brülörlerinde ve fırın ocaklarında kullanılır.
Motorlar
Piezoelektrik kristaller, bir motorun hareketi gibi hassas doğruluk gerektiren uygulamalar için mükemmeldir.Bu cihazlarda piezoelektrik malzeme, daha sonra seramik bir plakayı hareket etmeye zorlamak için mekanik enerjiye dönüştürülen bir elektrik sinyali alır.
Piezoelektrik ve Gelecek
Piezoelektrik için gelecekte neler var?Olasılıklar çoktur.Mucitlerin ortaya attığı popüler bir fikir, enerji hasadı için piezoelektrik kullanmaktır.Akıllı telefonunuzda, şarjlı kalmaları için vücudunuzun basit bir hareketiyle etkinleştirilebilen piezoelektrik cihazlara sahip olduğunuzu hayal edin.
Biraz daha büyük düşünerek, otoyol kaplamasının altına, seyahat eden arabaların tekerlekleri tarafından etkinleştirilebilen bir piezoelektrik sistemi de yerleştirebilirsiniz.Bu enerji daha sonra trafik ışıkları ve diğer yakınlardaki cihazlarda kullanılabilir.Bunu elektrikli arabalarla dolu bir yolla birleştirin ve kendinizi net pozitif enerji durumunda bulacaksınız.